115 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《海洋地質學》

Detachment fault（脫離斷層）是指在構造變形過程中，當應力超過岩層的強度時，會產生斷裂並造成岩塊的相對移動。脫離斷層特別是指發生在較淺部地殼或上部地殼中，斷層面相對平緩，且斷層上下盤岩塊的位移量相當大，通常是屬於伸展（extensional）或逆衝（thrust）構造的一部分。

MIS stage（Marine Isotope Stage, 海洋氧同位素階段）是地質學家利用海洋沉積物中浮游有孔蟲外殼的氧同位素組成（主要是 $^{18}$O/$^{16}$O 比值）來重建過去全球古氣候變化的指標。有孔蟲的外殼主要由碳酸鈣組成，其氧同位素比例會受到海水溫度和全球冰量（即全球海水量的多寡）的影響。

• 當全球氣溫較高時，海水溫度升高，且冰量較少（冰川融化），有孔蟲分泌的碳酸鈣會富集 $^{16}$O，此時的氧同位素比值較低。

Focal mechanism（震源機制）是指地震發生時，斷層破裂所造成的岩石破裂面的運動方式，也就是斷層的走向（strike）、傾角（dip）和滑移角（rake）。震源機制解可以透過分析地震波（特別是 P 波的初動方向）來推算，並以「雙力偶模型」（double-couple model）來表示。

Sediment gravity flow（沉積物重力流）是指一種由重力驅動的、含有高濃度懸浮沉積物的流體，沿著斜坡向下流動的過程。在海洋地質學中，沉積物重力流是將陸源或海底沉積物從淺水區或斜坡搬運到深海盆地的主要機制之一。
沉積物重力流的種類繁多，其中最著名的是「濁流」（turbidity current），它是一種高密度、高速的流體，能夠侵蝕海底地形，並在海底扇（sub-marine fan）等地貌上形成特徵性的「濁積岩」（turbidite）沉積序列。其他類型的沉積物重力流還包括：

Continent rift（大陸裂谷）是指在地殼受到張力作用下，大陸地殼發生拉張、變薄、斷裂並最終導致大陸分離的過程。這個過程通常會經歷幾個階段：

1. 初始階段：大陸地殼開始受到張力，產生一系列正斷層，形成地塹（graben）和地壘（horst）的地貌，如東非大裂谷（East African Rift Valley）。

Contourite（等深線沉積）是指在海底受到洋流（ocean current）長期、穩定作用下形成的沉積物。與濁流沉積不同，等深線沉積通常發生在相對較平坦的海底斜坡或盆地邊緣，由洋流攜帶懸浮的細顆粒沉積物（如粉砂、黏土）沿著等深線方向堆積而成。
等深線沉積的特徵包括：

Digital Elevation Model（DEM，數值高程模型）是一種以數值形式表達地表高程的地理空間數據模型。它通常以網格（grid）的形式呈現，每個網格單元都包含一個特定的高程值。DEM 可以是「數值地形模型」（Digital Terrain Model, DTM）或「數值表面模型」（Digital Surface Model, DSM）的總稱。

• DTM 僅包含地表的地形資訊，例如土地、岩石等，不包含建築物、樹木等地表覆蓋物的高度。

Gas hydrate（氣體水合物），又稱為「可燃冰」（combustible ice），是一種在低溫、高壓的條件下，由水分子圍繞著氣體分子（主要是甲烷，CH$_4$）形成籠狀結構的固體化合物。
在海洋中，氣體水合物主要形成於大陸邊緣的斜坡和大陸棚的下方，因為這些區域通常具備以下條件：

1. 低溫：海底溫度低於 4°C。
2. 高壓：水深足夠，提供足夠的壓力。
3. 豐富的氣體來源：通常是來自於埋藏有機質的細菌分解或熱裂解作用產生的甲烷。

Back-arc basin（弧後盆地）是指在島弧（island arc）的陸側（即遠離海溝的一側）形成的盆地。當俯衝板塊在島弧下方發生熔融並形成岩漿，岩漿上升至地殼，可能造成弧後地殼的拉張應力，進而形成弧後盆地。
弧後盆地的形成機制主要與俯衝帶的動力學有關，可能包括：

• 回撤效應 (Rollback)：俯衝板塊在俯衝過程中，其後端可能向後回撤，導致弧後地殼受到拉張。

Accretionary prism（增生楔）是在俯衝帶（subduction zone）中，當海洋地殼俯衝進入地幔時，由於俯衝板塊與上覆板塊之間存在擠壓和摩擦，會將俯衝板塊上攜帶的沉積物（包括海溝沉積物、洋殼蝕變產生的沉積物等）以及上覆板塊的前緣部分（稱為「前緣構造」或「前緣地塊」）從俯衝板塊上刮削下來，堆積在上覆板塊的前緣，形成一個楔形（prism-shaped）的構造體，稱為增生楔。
增生楔的特徵包括：

聚合型板塊邊界（Convergent plate boundary）是兩個板塊相互碰撞的區域，其演化過程可以分為隱沒（Subduction）、碰撞（Collision）與縫合（Suture）三個階段。

一、隱沒（Subduction）階段

• 機制：當兩個密度不同的板塊碰撞時，密度較大的板塊（通常是海洋板塊）會向下俯衝，進入地幔之下，形成隱沒帶。這個過程受到板塊密度差異、板塊的年齡（較老、較冷的板塊密度較大）以及地球重力的驅動。
• 特徵：
  • 海溝（Trench）：在俯衝的起始點形成深邃的海溝，是海洋中最深的地形。
  • 火山弧（Volcanic Arc）：俯衝板塊在下降過程中，其上方的地幔部分因含水量增加而部分熔融，形成的岩漿上升至上覆板塊，在地表形成一連串的火山，稱為火山弧。若火山弧形成於海洋，則稱為島弧（Island Arc）；若形成於大陸邊緣，則稱為大陸邊緣火山弧。
  • 地震活動：隱沒帶是地震最活躍的區域之一，地震深度從淺到深都有，形成所謂的「班尼奧夫帶」（Benioff zone）。
  • 增生楔（Accretionary Prism）：俯衝板塊攜帶的沉積物以及上覆板塊的前緣部分被刮削堆積，形成楔狀構造。
• 地形地質景觀：深邃的海溝、火山鏈（島弧或大陸邊緣火山）、複雜的褶皺斷裂帶、地震活動頻繁。
• 現今地理實例：
  • 馬里亞納海溝與菲律賓海溝（與菲律賓海板塊隱沒）：這是地球上最深的海溝，周圍有火山活動頻繁的島弧（如馬里亞納群島、菲律賓群島）。

二、碰撞（Collision）階段

• 機制：當俯衝的海洋板塊完全被俯衝後，如果俯衝的板塊上帶有大陸地殼，或者兩個大陸板塊直接碰撞時，由於大陸地殼密度較低，無法有效俯衝進入地幔，碰撞會變得非常劇烈，導致地殼的強烈擠壓、褶皺、斷裂與增厚。
• 特徵：
  • 山脈（Mountain Range）：地殼強烈擠壓增厚，形成高聳的山脈，如喜馬拉雅山脈。
  • 變質岩與火成岩：碰撞過程中，岩石在高溫高壓下發生變質，同時也可能伴隨有岩漿活動形成火成岩。

科學家利用深海岩心中的沉積物以及其中保存的生物遺骸（如浮游有孔蟲、有孔蟲、有孔蟲、放射蟲、貝類等）作為替代指標（Proxies），來重建數萬年至數百萬年前的古海水溫度（Sea Surface Temperature, SST）。這些替代指標主要基於以下幾種原理：

一、氧同位素（Oxygen Isotopes, $\delta^{18}$O）

• 原理：這是最常用、最可靠的古 SST 重建方法之一。生物體（如浮游有孔蟲）在其碳酸鈣外殼（CaCO$_3$）的形成過程中，會將海水中的氧原子結合進去。氧存在兩種主要的穩定同位素：$^{18}$O 和 $^{16}$O。這兩種同位素在海水中的比例受兩個主要因素影響：
  1. 海水溫度：在較冷的溫度下，生物體傾向於將較多的 $^{18}$O 結合到其碳酸鈣外殼中，以達到熱力學平衡。反之，在較暖的溫度下，則傾向於結合較多的 $^{16}$O。
  2. 全球冰量（海水量）：當全球冰量增加（冰期）時，較輕的 $^{16}$O 更多地被鎖在冰川中，導致海水中的 $^{18}$O 相對富集。當冰量減少（間冰期）時，冰川融化釋放 $^{16}$O 回歸海洋，導致海水中的 $^{18}$O 相對貧乏。
• 應用：科學家測量有孔蟲或貝類外殼的 $^{18}$O/$^{16}$O 比值（表示為 $\delta^{18}$O 值），並結合對當時全球冰量的估計（例如透過分析深層海水中的有孔蟲 $\delta^{18}$O 值），可以相對準確地推算出當時的海水溫度。例如，MIS 階段的重建就是基於此原理。

二、有機地球化學指標（Organic Geochemistry Proxies）

• 原理：某些有機分子，特別是脂類（lipids），在生物體內合成後，可以相對穩定地保存於沉積物中。這些有機分子的結構或同位素組成會受到其生存環境（包括海水溫度）的影響。
• 應用：
  • 脂類的結構特徵：例如，某些浮游生物（如 dinoflagellates）會合成特定的長鏈酮類（long-chain ketones），其結構中的雙鍵數量或碳鏈長度與海水溫度呈相關性。

在隱沒帶環境中，流體活動（包括孔隙流體壓力變化和脫水反應）對地震研究具有極其重要的影響，主要體現在以下幾個方面：

一、影響斷層的摩擦強度與滑動行為

• 孔隙流體壓力（Pore Fluid Pressure, $P_f$）：斷層的摩擦強度與有效應力（Effective Stress, $\sigma_{eff}$）呈正相關，而有效應力等於總應力（Total Stress, $\sigma_{total}$）減去孔隙流體壓力（$\sigma_{eff} = \sigma_{total} - P_f$）。
  • 當孔隙流體壓力升高時，有效應力降低，斷層的摩擦強度隨之減小。這意味著在相同的總應力下，高孔隙流體壓力可以更容易地引發斷層的滑動。
  • 在隱沒帶，俯衝的海洋地殼會攜帶大量的水，這些水儲存在沉積物和玄武岩的孔隙中，以及水合礦物（如綠泥石、角閃石、雲母等）的結構中。隨著俯衝深度的增加，溫度和壓力升高，這些水會被釋放出來，導致孔隙流體壓力急劇升高。
• 脫水反應（Dehydration Reactions）：埋藏在俯衝板塊中的含水礦物（如黏土礦物、角閃石、綠泥石等）在達到特定溫度和壓力條件時會發生化學反應，釋放出結合水。這些釋放的水會增加圍岩的孔隙流體壓力，甚至可能達到靜岩壓力（lithostatic pressure），形成「流體靜力學壓力」（hydrostatic pressure）。當孔隙流體壓力接近靜岩壓力時，有效應力趨近於零，斷層的摩擦強度急劇下降，變得極易滑動，這被認為是誘發大地震（megathrust earthquakes）的重要因素之一。

二、與地震發生機制的關聯

整合海洋鑽探計畫 (Integrated Ocean Drilling Program, IODP) 是一個國際合作的科學計畫，旨在透過在世界各大洋進行海底鑽探，來研究地球的過去、現在與未來。其核心科學目標涵蓋了地球系統的關鍵方面，主要包括：

1. 地球氣候變遷的關鍵：

   • 重建過去數百萬年甚至數億年的古氣候記錄，了解氣候變化的驅動因素、過程與影響，特別是二氧化碳濃度、海水溫度、海平面變化等。
   • 研究冰蓋的穩定性及其對海平面上升的貢獻。

2. 地球的生命起源與演化：

   • 探索生命起源的環境，例如深海熱液噴口或早期地球的沉積物。
   • 研究深海生物圈的分布、多樣性及其在地球生態系統中的作用。
   • 了解極端環境（如高溫、高壓、無氧）下生命的適應機制。

3. 地球的構造與演化：

   • 研究板塊構造的動力學，特別是隱沒帶、大陸裂谷、洋中脊等板塊邊界的過程。
   • 了解地殼的形成、變形與改造過程，包括地震、火山活動的機制。
   • 探索地球內部物質的循環與地球的熱結構。

4. 地球系統的過程與災害：

   • 研究海底沉積物的形成、搬運與儲存過程，以及與全球碳循環的關係。
   • 評估與緩解地球自然災害，如地震、海嘯、海底滑坡、甲烷水合物的釋放等。

以一個具體鑽探主題或海域為例，說明其對地質研究的關鍵貢獻：

鑽探主題/海域範例：台灣外海隱沒帶鑽探（例如 IODP Expedition 349, South China Sea Tectonics and Paleoceanography；或 IODP Expedition 350, Izu-Ogasawara-Mariana Forearc, IODP Expedition 352, Izu-Ogasawara-Mariana Arc Volcanism and Magmatism；或 IODP Expedition 372/375, Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment）

這裡以**台灣外海隱沒帶（例如南台灣外海的隱沒帶，或日本南端的南海海槽）**的鑽探為例，來說明其對地質研究的關鍵貢獻：